在全球碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)下，鋰離子電池作為新型儲(chǔ)能技術(shù)的核心載體，正經(jīng)歷持續(xù)高速迭代發(fā)展。負(fù)極材料作為鋰離子電池四大關(guān)鍵材料之一，正經(jīng)歷從傳統(tǒng)石墨體系向高容量、快速充放電型材料的技術(shù)革命性升級(jí)。其中，樹(shù)脂基多孔碳材料憑借其可設(shè)計(jì)的多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電化學(xué)性能及與硅基材料的卓越兼容性，成為新一代負(fù)極材料的核心支撐材料，正引領(lǐng)著鋰電負(fù)極產(chǎn)業(yè)的升級(jí)浪潮。
樹(shù)脂基多孔碳是以樹(shù)脂為前驅(qū)體，通過(guò)碳化、活化等工藝制備的具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)（微孔、介孔、大孔）的碳材料，因高比表面積、良好導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)可調(diào)控性，被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器、電池電極、吸附分離、催化載體等領(lǐng)域。
一、樹(shù)脂基多孔炭分類(lèi)
按照前驅(qū)體來(lái)源不同可以分為兩類(lèi)。
1）合成樹(shù)脂基
酚醛樹(shù)脂基： 最主流路線。原料易得，工藝相對(duì)成熟（溶液聚合/固化-炭化-活化）?？芍频猛昝狼蛐?、類(lèi)球形、塊狀無(wú)規(guī)則形多孔碳。優(yōu)勢(shì)在于孔結(jié)構(gòu)（微孔/介孔比例）高度可控可調(diào)、機(jī)械強(qiáng)度高、抗膨脹和耐壓性能優(yōu)異（對(duì)硅沉積至關(guān)重要），能實(shí)現(xiàn)硅烷沉積的高度均勻性和一致性，帶來(lái)高首效（>88%）和長(zhǎng)循環(huán)。
其他合成樹(shù)脂基： 如聚丙烯腈（PAN）基、環(huán)氧樹(shù)脂基、聚酰亞胺（PI）基等。各有特點(diǎn)（如PAN基碳化收率高，PI基耐高溫性好），但在電池負(fù)極領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模不及酚醛樹(shù)脂基。
2）生物質(zhì)衍生樹(shù)脂基 (重組樹(shù)脂基)： 新興綠色路線。以生物質(zhì)精煉產(chǎn)物（如木質(zhì)素衍生物、糖類(lèi)衍生物）為原料合成樹(shù)脂，再炭化制備多孔碳。兼具傳統(tǒng)樹(shù)脂基材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與生物質(zhì)碳的低成本優(yōu)勢(shì)。圣泉新能源利用其生物質(zhì)精煉中間體開(kāi)發(fā)的此類(lèi)產(chǎn)品，是雙技術(shù)路線之一，極具成本競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?。代表企業(yè)：圣泉新能源。
二、樹(shù)脂基多孔炭的制備
核心在于高分子前驅(qū)體的選擇、成型、固化（交聯(lián)）、炭化及活化。工藝細(xì)節(jié)直接影響最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能與成本。
1.前驅(qū)體合成
1）合成樹(shù)脂制備： 如酚醛樹(shù)脂通過(guò)苯酚與甲醛的縮聚反應(yīng)合成。圣泉集團(tuán)在此環(huán)節(jié)具有全球產(chǎn)能和成本優(yōu)勢(shì)。
2）生物質(zhì)衍生樹(shù)脂合成： 利用生物質(zhì)精煉平臺(tái)（如圣泉的“圣泉法”），將木質(zhì)素、纖維素半纖維素解聚產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為可交聯(lián)的樹(shù)脂中間體。
2.成型
1）球形化： 乳液聚合（油包水/水包油）、懸浮聚合是制備球形酚醛樹(shù)脂微球的主流方法。控制乳化劑/分散劑、攪拌速度、溫度等是關(guān)鍵。
2）塊狀/其他形狀： 溶液澆鑄、模壓、擠出等。
3）固化（交聯(lián)）： 使樹(shù)脂前驅(qū)體形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保在后續(xù)高溫處理中保持形狀和產(chǎn)生目標(biāo)孔結(jié)構(gòu)。酚醛樹(shù)脂通常需要在150-200°C下進(jìn)行熱固化。交聯(lián)度直接影響炭化收率和碳骨架強(qiáng)度。
3.炭化
在惰性氣氛（N?, Ar）下高溫（600-1200°C）熱處理，使有機(jī)高分子轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳骨架。此過(guò)程發(fā)生復(fù)雜的裂解、芳構(gòu)化、脫除小分子（H?O, CO, CO?, CH?等）反應(yīng)。
碳化溫度、升溫速率、保溫時(shí)間對(duì)碳的微晶結(jié)構(gòu)、孔隙初步形成至關(guān)重要。
碳化溫度：核心調(diào)控因素，通常在 600-1000℃。低溫（600-800℃）下，樹(shù)脂分解不完全，碳骨架無(wú)序度高，微孔為主；高溫（800-1000℃）下，碳原子重排趨于有序，石墨化程度提高，微孔減少但導(dǎo)電性增強(qiáng)。
升溫速率：一般 5-10℃/min，慢速升溫可減少熱解氣體劇烈釋放導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)坍塌，有利于形成均勻孔隙；快速升溫可能因氣體逸出形成大孔，但易導(dǎo)致骨架開(kāi)裂。
保溫時(shí)間：0.5-3 小時(shí)，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致微孔合并為大孔，降低比表面積；過(guò)短則碳化不完全，殘留雜質(zhì)多。
4.活化（造孔）： 是賦予材料高比表面積和豐富孔隙的關(guān)鍵步驟。
1）物理活化
使用水蒸氣、CO?等在高溫（700-1000°C）下與碳發(fā)生氧化反應(yīng)（C + H?O -> CO + H?； C + CO? -> 2CO）選擇性刻蝕碳原子造孔。工藝相對(duì)環(huán)保，孔結(jié)構(gòu)以微孔為主，介孔較少。
2）化學(xué)活化
在炭化前或炭化后，將前驅(qū)體與化學(xué)活化劑（KOH, NaOH, ZnCl?, H?PO?）混合浸漬，再于惰性氣氛中加熱（450-900°C）?；罨瘎┢鸬矫撍?、氧化、插層、催化石墨化等作用，造孔效率高，能產(chǎn)生大量微孔和介孔，比表面積可達(dá)3000 m2/g以上。KOH活化最常用，但對(duì)設(shè)備腐蝕性強(qiáng)，后處理廢水需處理。精準(zhǔn)控制活化劑種類(lèi)、比例、溫度、時(shí)間是調(diào)控微孔/介孔比例的核心。圣泉新能源報(bào)道中“孔結(jié)構(gòu)微孔介孔可控可調(diào)”即指此工藝的精湛控制。
3）模板法：
在樹(shù)脂合成或成型階段引入模板劑（如納米SiO?球、嵌段共聚物），炭化/活化后再去除模板，可精確復(fù)制模板形貌，獲得有序介孔碳。孔結(jié)構(gòu)均一但成本高、步驟復(fù)雜，大規(guī)模生產(chǎn)有挑戰(zhàn)。
5.后處理：
活化后的多孔碳需經(jīng)過(guò)后處理去除雜質(zhì)、調(diào)整表面性質(zhì)或成型包括酸洗/水洗（去除活化劑殘留及灰分）、干燥、篩分、表面改性（如氮摻雜提升導(dǎo)電性和表面潤(rùn)濕性）等。
三、多元化應(yīng)用場(chǎng)景
能源存儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用
利用樹(shù)脂基多孔炭高比表面積、可調(diào)孔結(jié)構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)電能、氫能等能源的高效存儲(chǔ)。與植物基多孔炭相比，樹(shù)脂基材料具有更高的碳純度（>99%）和結(jié)構(gòu)可控性，更適合高端能源存儲(chǔ)場(chǎng)景。
超級(jí)電容器
多孔炭電極材料占據(jù)市場(chǎng)份額80%，酚醛樹(shù)脂基多孔炭因高導(dǎo)電性（電導(dǎo)率>100 S/m）和循環(huán)穩(wěn)定性（>10萬(wàn)次），在車(chē)用啟停電源中應(yīng)用占比達(dá)65%。
鋰離子電池
作為硅碳負(fù)極包覆材料，可緩解硅體積膨脹（300%→150%），提升循環(huán)壽命至1000次以上（比亞迪2024年量產(chǎn)數(shù)據(jù)）。
氫能存儲(chǔ)
77K下，樹(shù)脂基多孔炭氫吸附容量可達(dá)5.2 wt%（美國(guó)DOE 2025年目標(biāo)為5.5 wt%），通過(guò)摻雜氮/氧官能團(tuán)可提升吸附熱至8-10 kJ/mol，降低解吸能耗30%
能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用
通過(guò)催化、氣體分離等功能，提升能源生產(chǎn)（如制氫、燃料電池）和轉(zhuǎn)化效率。
樹(shù)脂基多孔炭在能源場(chǎng)景中面臨的難點(diǎn)主要是性能及成本。性能方面，在高比表面積與高導(dǎo)電率難以兼顧（比表面積>3000 m2/g時(shí)，電導(dǎo)率下降至<50 S/m）。成本方面，樹(shù)脂原料占總成本60%（如酚醛樹(shù)脂價(jià)格達(dá)2萬(wàn)元/噸），規(guī)模化生產(chǎn)后仍比生物質(zhì)基多孔炭高30%-50%。
環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用
利用高孔隙率和表面官能團(tuán)（如-OH、-COOH）實(shí)現(xiàn)污染物高效吸附與催化降解。
在廢水處理領(lǐng)域，對(duì)重金屬離子（如Pb2?、Cr??）吸附容量可達(dá)200-500 mg/g，吸附速率比傳統(tǒng)活性炭快1.5倍。在氣體分離領(lǐng)域，孔徑0.5-2nm的微孔結(jié)構(gòu)可選擇性吸附CO2，分離系數(shù)>20，有望替代傳統(tǒng)胺吸收法。
電子領(lǐng)域應(yīng)用——高性能電極材料
用于超級(jí)電容器、傳感器等電子元器件，提供高導(dǎo)電性（電導(dǎo)率>100 S/m）和機(jī)械穩(wěn)定性。
樹(shù)脂基多孔炭制備工藝的核心是 “前驅(qū)體結(jié)構(gòu) - 工藝參數(shù) - 孔隙性能” 的精準(zhǔn)匹配，通過(guò)優(yōu)化樹(shù)脂類(lèi)型、活化方法及調(diào)控參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化，滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的功能需求。
樹(shù)脂基多孔炭市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，技術(shù)迭代與成本控制是關(guān)鍵。中國(guó)企業(yè)在規(guī)模化生產(chǎn)、生物質(zhì)技術(shù)應(yīng)用等方面取得突破，正逐步改變?nèi)蚋?jìng)爭(zhēng)格局。未來(lái)，隨著硅碳負(fù)極滲透率提升和鈉電商業(yè)化加速，樹(shù)脂基多孔炭市場(chǎng)空間廣闊，但需持續(xù)創(chuàng)新以應(yīng)對(duì)技術(shù)迭代和成本壓力。
